26. Колонны с ветвями из сварных двутавров

С ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННОЙ СТЕНКОЙ

26.1. Применение стержней с растянутыми стенками основано на использовании предварительного напряжения для повышения местной устойчивости сжатых элементов конструкций.

Предварительное напряжение стенок стержневых элементов металлоконструкций, работающих на сжимающие эксплуатационные силовые воздействия, уменьшает толщину стенок и снижает площадь сечения и металлоемкость стержневых элементов. Применение предварительного напряжения стенок особенно эффективно в ветвях решетчатых колонн.

26.2. Элементы конструкций с предварительным напряжением стенок, создаваемым в процессе их изготовления, имеют традиционное двутавровое сечение и изготовляются известными методами, из которых наиболее желательно изготовление на механизированных и поточных линиях, при этом включение в технологические процессы операций по предварительному напряжению стенок (например, термическим способом) не нарушает взаимосвязи этих процессов и не снижает производительности линий.

26.3. Предварительное напряжение стенок и увеличение концентрации материала в поясах позволяет использовать для стержневых элементов в качестве материала стали различной прочности (менее прочные для стенок и более прочные для полок) и тем самым повысить эффективность применения сталей повышенной и высокой прочности в сжатых элементах строительных металлоконструкций.

26.4. Рациональными областями применения конструкций с предварительно напряженными стенками являются центрально сжатые сварные стержни решетчатых систем, в том числе сварные подкрановые ветви решетчатых колонн.

Целесообразность изготовления сварных сжатых стержней с предварительно напряженными стенками определяется наличием на заводе-изготовителе соответствующих механизированных (поточных) линий или установок и степенью снижения приведенных затрат по сравнению с традиционными аналогами (прокатные и обычные сварные профили).

26.5. Область рационального применения сварных двутавров с предварительно напряженной стенкой в качестве подкрановой ветви решетчатых колонн охватывает колонны промышленных зданий с мостовыми кранами высотой от 10,8 до 18 м, пролетами от 18 до 36 м, с шагом колонн 12 м, грузоподъемностью мостовых кранов 50 т включ. Расчетное сопротивление материала поясов >= 345 МПа (3500 кгс/см2).

26.6. Расчет решетчатых колонн с ветвями из сварных двутавров с предварительно напряженной стенкой включает: определение оптимальных размеров сечения; проверку несущей способности ветви по общей и местной устойчивости, а также проверку несущей способности решетчатой колонны относительно свободной оси.

26.7. Вначале определяется комплексный параметр стержня по формуле

, (170)

где

;

(для двутавра),

здесь ; ;

= 2,8 - 4 для бистальных колонн; = 4 - 6 - для моностальных колонн (уточняется в процессе расчета).

26.8. Коэффициент площади сечения определяется для бистальных колонн по табл. 72, для моностальных - по табл. 7 3.

Таблица 72

─────────────────────┬──────────────────────┬─────────────────────

│ │ _____

хи │ пси │ сигма

x │ x │

─────────────────────┼──────────────────────┼─────────────────────

15 │ 1,550 │ 0,80

25 │ 1,725 │ 0,70

50 │ 2,050 │ 0,60

75 │ 2,325 │ 0,55

100 │ 2,600 │ 0,45

Таблица 73

────────┬─────────┬─────────┬─────────┬──────────┬────────┬───────

хи │ 1 │ 5 │ 7,5 │ 10 │ 15 │ 20

x │ │ │ │ │ │

────────┼─────────┼─────────┼─────────┼──────────┼────────┼───────

пси │ 1,111 │ 1,333 │ 1,428 │ 1,515 │ 1,639 │ 1,754

x │ │ │ │ │ │

────────┴─────────┴─────────┴─────────┴──────────┴────────┴───────

Для бистальных колонн параметр определяется по табл. 72, для моностальных - принимается = 1.

Для бистальных колонн определяется параметр и назначается расчетное сопротивление материала стенки :

.

26.9. Допускаемая гибкость стенки без учета предварительного напряжения определяется по формуле

, (171)

где - условная гибкость колонны относительно оси x-x, определяемая по табл. 74 в зависимости от параметров и .

. (172)

Таблица 74

────────────┬─────┬───────────────────────────────────────────────

│_____│ ______

R , │сигма│ лямбда при фи , равном

y │ │ x xp

МПа, │ ├──────┬──────┬──────┬──────┬──────┬──────┬─────

(кгс/см2) │ │ 0,9 │ 0,8 │ 0,7 │ 0,6 │ 0,5 │ 0,4 │ 0,3

────────────┼─────┼──────┼──────┼──────┼──────┼──────┼──────┼─────

450 (4600) │ 0,0 │ 1,21 │ 1,96 │ 2,55 │ 3,12 │ 3,74 │ 4,40 │ 5,25

│ 0,2 │ 1,15 │ 1,93 │ 2,48 │ 3,05 │ 3,67 │ 4,33 │ 5,16

│ 0,4 │ 1,09 │ 1,80 │ 2,36 │ 2,94 │ 3,55 │ 4,24 │ 5,10

│ 0,6 │ 0,99 │ 1,66 │ 2,23 │ 2,83 │ 3,42 │ 4,15 │ 5,03

│ 0,8 │ 0,93 │ 1,54 │ 2,08 │ 2,68 │ 3,31 │ 4,06 │ 4,96

│ 1,0 │ 0,87 │ 1,43 │ 1,93 │ 2,53 │ 3,20 │ 3,97 │ 4,89

────────────┼─────┼──────┼──────┼──────┼──────┼──────┼──────┼─────

540 (5500) │ 0,0 │ 1,24 │ 2,00 │ 2,60 │ 3,15 │ 3,78 │ 4,46 │ 5,28

│ 0,2 │ 1,18 │ 1,95 │ 2,51 │ 3,08 │ 3,72 │ 4,38 │ 5,22

│ 0,4 │ 1,12 │ 1,82 │ 2,39 │ 2,97 │ 3,59 │ 4,28 │ 5,17

│ 0,6 │ 1,01 │ 1,68 │ 2,26 │ 2,87 │ 3,46 │ 4,20 │ 5,11

│ 0,8 │ 0,95 │ 1,56 │ 2,10 │ 2,72 │ 3,35 │ 4,11 │ 5,03

│ 1,0 │ 0,89 │ 1,44 │ 1,94 │ 2,57 │ 3,24 │ 4,02 │ 4,95

Требуемая гибкость предварительно напряженной стенки определяется по формуле

. (173)

26.10. Допускаемая гибкость свеса полки без учета предварительного напряжения в соответствии с п. 7.23 * СНиП II-23-81* определяется по формуле

. (174)

Требуемая гибкость свеса полок с учетом предварительного напряжения определяется по формуле

. (175)

26.11. Оптимальные размеры сечения определяются по формулам:

площадь сечения ; (176)

" стенки ; (177)

" полки ; (178)

ширина стенки ; (179)

толщина " ; (180)

ширина полки ; (181)

толщина " . (182)

26.12. Расчетное сопротивление материала стенки определяется по формуле

.

26.13. Наиболее близкие к оптимальным размеры сечения назначаются с учетом сортамента и выполняется проверка общей и местной устойчивости колонн в соответствии с пп. 26.14 - 26.16.

26.14. Для бистальных колонн параметр уточняется по формуле

, (183)

где определяется по формуле (171 ).

Затем по табл. 73 линейной интерполяцией определяется параметр в зависимости от параметра , определяемого по формуле (170). Для моностальных колонн принимается = 1.

26.15. Расчет на устойчивость центрально-сжатой ветви колонны относительно оси x-x выполняется по формуле

, (184)

где F - расчетное продольное усилие;

A - площадь сечения брутто;

- коэффициент продольного изгиба, принимаемый по табл. 75 в функции от и условной гибкости :

,

здесь - расчетная длина относительно оси x-x;

i - радиус инерции сечения относительно оси x-x;

При >= 1,5 определяется линейной интерполяцией; < 1,5 определяется линейной экстраполяцией.

Таблица 75

───────────────┬───────┬──────────────────────────────────────────

│ │ ______

R , │ сигма │ фи при лямбда , равной

y │ │ xp x

МПа (кгс/см2) │ ├──────┬─────┬─────┬─────┬─────┬─────┬─────

│ │ 1,5 │ 2,0 │ 2,5 │ 3,0 │ 3,5 │ 4,0 │ 4,5

───────────────┼───────┼──────┼─────┼─────┼─────┼─────┼─────┼─────

450 (4600) │ 0,0 │0,861 │0,795│0,708│0,621│0,538│0,460│0,388

│ 0,2 │0,855 │0,787│0,697│0,609│0,527│0,449│0,379

│ 0,4 │0,842 │0,764│0,676│0,590│0,508│0,434│0,370

│ 0,6 │ 0,8 │0,740│0,655│0,574│0,489│0,420│0,360

│ 0,8 │0,808 │0,715│0,630│0,550│0,475│0,408│0,351

│ 1,0 │0,790 │0,693│0,608│0,530│0,463│0,398│0,341

───────────────┼───────┼──────┼─────┼─────┼─────┼─────┼─────┼─────

540 (5500) │ 0,0 │0,865 │0,800│0,716│0,620│0,542│0,467│0,394

│ 0,2 │0,853 │0,789│0,702│0,614│0,534│0,458│0,386

│ 0,4 │0,843 │0,768│0,682│0,595│0,514│0,440│0,367

│ 0,6 │0,828 │0,745│0,663│0,578│0,494│0,427│0,362

│ 0,8 │0,811 │0,719│0,635│0,555│0,480│0,414│0,357

│ 1,0 │0,797 │0,697│0,615│0,535│0,468│0,403│0,346

26.16. Расчет на устойчивость сжатой ветви колонны относительно оси y-y выполняется по формуле

, (185)

где - коэффициент продольного изгиба, принимаемый по табл. 76 в функции от и условий гибкости :

,

здесь - расчетная длина относительно оси y-y;

- радиус инерции сечения относительно оси y-y.

Таблица 76

──────────────┬─────────┬─────────────────────────────────────────

│ _____ │ ______

R , │ сигма │ фи при лямбда , равной

y │ │ yp y

МПа (кгс/см2)│ ├─────┬─────┬─────┬─────┬─────┬─────┬─────

│ │ 1,5 │ 2,0 │ 2,5 │ 3,0 │ 3,5 │ 4,0 │ 4,5

──────────────┼─────────┼─────┼─────┼─────┼─────┼─────┼─────┼─────

450 (4600) │ 0,0 │0,921│0,854│0,774│0,680│0,582│0,492│0,413

│ 0,2 │0,909│0,827│0,730│0,632│0,542│0,463│0,394

│ 0,4 │0,897│0,793│0,679│0,581│0,502│0,433│0,372

│ 0,6 │0,884│0,763│0,631│0,534│0,460│0,395│0,344

│ 0,8 │0,879│0,739│0,591│0,484│0,418│0,363│0,312

│ 1,0 │0,858│0,707│0,553│0,444│0,373│0,321│0,280

──────────────┼─────────┼─────┼─────┼─────┼─────┼─────┼─────┼─────

540 (5500) │ 0,0 │0,923│0,857│0,777│0,684│0,588│0,498│0,419

│ 0,2 │0,910│0,830│0,734│0,636│0,533│0,468│0,399

│ 0,4 │0,898│0,795│0,684│0,586│0,506│0,438│0,376

│ 0,6 │0,886│0,765│0,633│0,538│0,464│0,398│0,348

│ 0,8 │0,890│0,742│0,593│0,486│0,422│0,367│0,316

│ 1,0 │0,859│0,710│0,558│0,446│0,375│0,324│0,282

При определяется линейной интерполяцией; определяется линейной экстраполяцией.

26.17. Расчет на устойчивость предварительно напряженной стенки выполняется с учетом:

собственных растягивающих напряжений , определяемых по формуле

, (186)

критических напряжений стенки , определяемых по формуле

, (187)

где k - определяется по табл. 77 в зависимости от параметра ; при промежуточных значениях k определяется линейной интерполяцией.

Таблица 77

─────────┬───────────┬──────────┬──────────┬───────────┬──────────

альфа │ 0,00 │ 0,80 │ 2,10 │ 5,70 │ 10,00

w │ │ │ │ │

─────────┼───────────┼──────────┼──────────┼───────────┼──────────

k │ 7,00 │ 6,08 │ 5,26 │ 4,61 │ 4,00

─────────┴───────────┴──────────┴──────────┴───────────┴──────────

Параметр определяется по формуле

. (188)

Устойчивость стенки считается обеспеченной, если выполняется условие

, (189)

где - принимается равным минимальному из коэффициентов и .

26.18. Устойчивость свеса полки считается обеспеченной, если выполняется условие

, (190)

где определяется по формуле (174 ) в зависимости от наибольшей условной гибкости стержня.

26.19. Расчет на устойчивость решетчатой колонны относительно свободной оси выполняется по формуле

, (191)

здесь - коэффициент, определяемый в соответствии с п. 5.27 * СНиП II-23-81*.

26.20. Конструктивное оформление сварных колонн с ветвями двутаврового сечения с предварительно напряженными стенками следует производить с применением новых эффективных решений и так, чтобы не вызывать существенного снижения предварительного напряжения, полученного при изготовлении стержней.

26.21. При проектировании колонн с предварительно напряженными стенками рекомендуется:

для максимального снижения тепловложений от сварки применять только расчетные сварные швы, завариваемые механизированными методами, в том числе швы с уменьшенными катетами;

вспомогательные элементы колонн, рассчитываемые по прочности, изготавливать из сталей повышенной и высокой прочности.

Если концевые участки стержней, где возможна потеря предварительного напряжения при изготовлении, являются расчетными, то снижение предварительного напряжения следует предотвратить или компенсировать за счет включения в работу концевых деталей - опорных и подкрановых траверс, башмаков, плит, утолщений стенок, стыковых и соединительных деталей, создающих жесткие торцевые окаймления стержней.